下一代互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)IP QoS（2）
姜明 2004/04/13
7.QoS體系結(jié)構(gòu)
前面分別介紹了單獨(dú)應(yīng)用各種QoS協(xié)議實(shí)現(xiàn)端到端QoS的情況，實(shí)際應(yīng)用中，為了實(shí)現(xiàn)從上到下、在發(fā)送者和接收者之間的端到端QoS，需要同時(shí)將多種QoS技術(shù)結(jié)合起來使用。目前，大多數(shù)將這些QoS技術(shù)結(jié)合在一起的規(guī)范還沒有標(biāo)準(zhǔn)化，但是搭建各種盡可能提供統(tǒng)一的端到端QoS體系結(jié)構(gòu)的工作已經(jīng)開始了。IETF的工作小組正致力于提出QoS整體體系結(jié)構(gòu)，即從上至下的、端對端的QoS體系結(jié)構(gòu)。
該結(jié)構(gòu)包含了幾乎現(xiàn)有的所有的QoS機(jī)制，如IntServ/RSVP、DiffServ、MPLS以及SBM。具體結(jié)構(gòu)如圖11所示。它利用高層協(xié)議與底層協(xié)議的合作，將高層的QoS協(xié)議映射到底層的協(xié)議，以支持從上至下的QoS，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)端對端QoS。
MPLS與DiffServ的端對端QoS模型
DiffServ需要大量網(wǎng)絡(luò)單元的協(xié)同運(yùn)作，才能向用戶提供端到端的QoS，而這些這些組件往往是高度分散的。因此，盡管DiffServ是目前在骨干網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)IP
QoS最可行的方案，但僅靠DiffServ還不能提供端到端的QoS保證。解決這個(gè)問題的方法之一便是利用MPLS技術(shù)將第三層的QoS轉(zhuǎn)換為第二層的QoS，通過網(wǎng)絡(luò)中第二層的交換機(jī)來實(shí)現(xiàn)端到端的服務(wù)質(zhì)量保證。盡管這可能不是一個(gè)真正意義上的IP
QoS，但卻是目前可以實(shí)現(xiàn)的方法中最切實(shí)可行的一個(gè)。
由于DiffServ和MPLS在所支持的QoS方面有某種相似性（如數(shù)據(jù)包分類），因此將DiffServ數(shù)據(jù)流映射到MPLS"管道"上相對來說比較簡單。IETF的MPLS工作組目前推出的MPLS和DiffServ結(jié)合的方案是將DiffServ行為聚合BA映射到LSP，根據(jù)BA的PHB來轉(zhuǎn)發(fā)LSP上的數(shù)據(jù)包LSP與BA的映射有兩種方式：
E-LSP（Exp-inferred-PSC LSP）：E-LSP用MPLS墊片頭部的EXP字段把多個(gè)BA指派到一條LSP上，使用MPLS墊層頭的EXP字段表示一個(gè)包的PHB。最多可以把8個(gè)BA映射到EXP字段中。
L-LSP（Label-only-inferred-PSC LSP）：把一條LSP指派給一個(gè)BA（表現(xiàn)出多個(gè)包丟棄優(yōu)先級），根據(jù)MPLS標(biāo)簽確定包的調(diào)度策略，根據(jù)MPLS墊片頭或二層包丟棄機(jī)制確定丟棄優(yōu)先級。
為了支持DiffServ的逐跳行為模型，MPLS網(wǎng)絡(luò)操作員需要在每個(gè)MPLS路由器中為每個(gè)DiffServ轉(zhuǎn)發(fā)類分配一定的網(wǎng)絡(luò)資源和標(biāo)簽。同時(shí)，LSR還需要將特定的丟棄優(yōu)先級與數(shù)據(jù)包相關(guān)聯(lián)起來。
RSVP為MPLS提供資源QoS模型
在目前的MPLS體系結(jié)構(gòu)中，可以用來對標(biāo)簽進(jìn)行分發(fā)協(xié)議除了LDP外，另外一個(gè)就是RSVP。IETF的工作小組正致力于對RSVP進(jìn)行擴(kuò)展，以支持MPLS的標(biāo)簽分發(fā)，目前已經(jīng)制定出相應(yīng)的草案。用RSVP分配標(biāo)簽的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是使得沿著標(biāo)簽分配路徑進(jìn)行資源分配成為可能，例如，通過標(biāo)準(zhǔn)的RSVP資源預(yù)留可將帶寬分配給LSP。當(dāng)然，資源預(yù)留對MPLS來說并不是必須的，LSP能在沒有任何資源預(yù)留的情況下建立，這種LSP用于傳輸極力而為的流。
標(biāo)簽分配協(xié)議主要用于將路由器對特定數(shù)據(jù)流分配的標(biāo)簽及其意義通知它的下游節(jié)點(diǎn)，以使下游節(jié)點(diǎn)能根據(jù)數(shù)據(jù)包的標(biāo)簽來進(jìn)行正確的處理。RSVP協(xié)議不僅支持下游按需（Downstream-on-
demand）標(biāo)簽分配，而且支持顯式路由功能。為此，RSVP的路徑消息增加了LABEL_REQUEST對象。標(biāo)簽在下游分配，并且通過RSVP的預(yù)留消息分發(fā)。這樣，RSVP的預(yù)留消息中增加了LABEL對象，增加了對標(biāo)簽堆棧的支持。為了支持顯式路由，RSVP的路徑消息中增加了EXPLICIT_ROUTE對象。顯式路由的作用是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源的利用，增強(qiáng)面向流量的性能特征，它的一個(gè)重要應(yīng)用便是流量工程。支持RSVP和MPLS的主機(jī)和路由器可以將標(biāo)簽與特定的數(shù)據(jù)流關(guān)聯(lián)在一起。這樣，路由器也就可以根據(jù)數(shù)據(jù)包的標(biāo)簽值來確定合適的資源預(yù)留狀態(tài)信息了。以RSVP信令來為MPLS分發(fā)標(biāo)簽并預(yù)留資源的過程大致如下：
發(fā)送端發(fā)送PATH消息，除了普通PATH消息中所帶有的TSpec信息外，該P(yáng)ATH消息還帶有LABEL_REQUEST對象，用于各路由器分配標(biāo)簽；
中間路由器接收到PATH消息，建立路徑狀態(tài)（LABEL_REQUEST也包含在路徑狀態(tài)塊中），并向下游轉(zhuǎn)發(fā)PATH消息；
接收端收到PATH消息后，向上游發(fā)出RESV消息，該消息除帶有TSpec、RSpec和Filter Spec外，還帶有LABEL對象，用于對各個(gè)路由器分配的標(biāo)簽進(jìn)行分配及分發(fā)；
中間路由器接收到RESV消息后，執(zhí)行接入控制，并將LABEL對象中的標(biāo)簽值作為該會(huì)話的輸出端口的標(biāo)簽值，同時(shí)分配新的標(biāo)簽值，并將新標(biāo)簽值與該會(huì)話的輸入端口綁定（該端口也是路由器用來向上游傳送RESV消息的端口）。
RSVP與DiffServ的端對端QoS模型
DiffServ服務(wù)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是建立起SLA，然后各DS節(jié)點(diǎn)根據(jù)所建立的SLA對業(yè)務(wù)流進(jìn)行分類和調(diào)節(jié)。目前，建立SLA有兩種方法，對應(yīng)為兩種不同的SLA：靜態(tài)SLA和動(dòng)態(tài)SLA。靜態(tài)SLA是由網(wǎng)絡(luò)管理員根據(jù)一定的協(xié)定或策略制定相應(yīng)的資源分配方案、流量調(diào)節(jié)規(guī)范等；而動(dòng)態(tài)SLA則是根據(jù)某種信令協(xié)議動(dòng)態(tài)分配資源。常用的信令協(xié)議就是RSVP，目前正在發(fā)展中的還有BB技術(shù)。
RSVP的最初設(shè)計(jì)目標(biāo)是為單流（micro-flow）提供資源預(yù)留，擴(kuò)展后的RSVP可以為流聚集提供資源預(yù)留。以RSVP和DiffServ結(jié)構(gòu)相結(jié)合，將可以提供更為靈活的端對端QoS。在這種端對端的QoS模型中，由RSVP為流聚集提供資源，而DiffServ只是簡單地對數(shù)據(jù)包進(jìn)行標(biāo)記、分類（區(qū)分不同的優(yōu)先級）以及調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)，需要注意的是，與IntServ中的RSVP預(yù)留資源不同，這里是發(fā)送請求的資源預(yù)留。
由于RSVP的高度復(fù)雜性，因此，在這種模型中，RSVP只是布置在邊緣網(wǎng)絡(luò)（直接與客戶相連的網(wǎng)絡(luò)），而在核心網(wǎng)絡(luò)（主干網(wǎng)）只布置DiffServ。端系統(tǒng)利用RSVP向網(wǎng)絡(luò)請求資源（例如帶寬、緩沖區(qū)等），主干網(wǎng)的入口路由器應(yīng)用標(biāo)記DS的方法將RSVP資源預(yù)留映射到相應(yīng)的服務(wù)類別上，也即與DSCP的對應(yīng)。而在主干網(wǎng)的出口節(jié)點(diǎn)，重新使用RSVP，直到接收端。
DiffServ與IntServ/RSVP相結(jié)合提供QoS機(jī)制
我們知道，IntServ服務(wù)的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠根據(jù)客戶的實(shí)際需要，定制出完全符合客戶需求的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，具有相當(dāng)?shù)撵`活性，而它最大的缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，難以在主干網(wǎng)上大量使用。DiffServ服務(wù)恰恰相反，它最大的優(yōu)點(diǎn)在于它在主干網(wǎng)上的可擴(kuò)展性，但由于其處理的對象是流聚集,
所以無法處理一個(gè)特定的流請求。因此，可以把IntServ/RSVP和DiffServ看作是相互補(bǔ)充的技術(shù)，將其結(jié)合，互相協(xié)同，共同為用戶提供端到端的QoS保證。
Intserv體系結(jié)構(gòu)提供了一種在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)元素之上提供端到端QoS的方法。一般來講，網(wǎng)絡(luò)元素可以是單獨(dú)的節(jié)點(diǎn)（如路由器）或鏈路，更復(fù)雜的實(shí)體（比如ATM云或802.3網(wǎng)絡(luò)）也可以從功能上視為網(wǎng)絡(luò)元素。在這種意義下，可以將DiffServ網(wǎng)絡(luò)看成一個(gè)大的網(wǎng)絡(luò)單元，是連接Intserv路由器和主機(jī)的虛鏈路。已經(jīng)有方案描述了一種在DiffServ網(wǎng)絡(luò)之上實(shí)施IntServ支持端到端QoS的方法，在該框架中，端到端的、定量的QoS是通過在含有一個(gè)或多個(gè)DS區(qū)的端到端網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用IntServ模型來提供的。為了優(yōu)化資源的分配和支持接納控制，DS區(qū)可以（但并不絕對要求）參加端到端的RSVP信令過程。
在DiffServ上提供IntServ服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)如圖11所示，發(fā)送端和接收端分別與各自的IntServ網(wǎng)絡(luò)相連，而兩個(gè)IntServ區(qū)域又通過DiffServ骨干網(wǎng)絡(luò)相連。在這種體系結(jié)構(gòu)上提供端對端QoS有兩種方式，一種是DiffServ區(qū)域靜態(tài)地提供資源，另一種方式是DiffServ區(qū)域動(dòng)態(tài)地提供資源，我們以靜態(tài)方式為例來說明其具體的過程：
發(fā)送端以信令發(fā)出PATH消息，即業(yè)務(wù)流規(guī)格說明，其中包括服務(wù)類型（確保服務(wù)或控制負(fù)載服務(wù)）以及一些量化的參數(shù)。與發(fā)送端主機(jī)直接相連的IntServ網(wǎng)絡(luò)N1中，以標(biāo)準(zhǔn)的RSVP/IntServ方式處理PATH消息；
在邊界路由器ER1處，PATH消息遵循標(biāo)準(zhǔn)RSVP的處理方法，并且將PATH消息發(fā)往DiffServ區(qū)域；
PATH消息在DiffServ區(qū)域內(nèi)透明地傳輸，然后在與接收端主機(jī)直接相連的IntServ網(wǎng)絡(luò)N3的邊界路由器ER2處按標(biāo)準(zhǔn)的RSVP方式處理；
當(dāng)PATH消息到達(dá)接收端主機(jī)時(shí)，它發(fā)送出RESV消息，以規(guī)范業(yè)務(wù)流所需要的資源；
在N3網(wǎng)絡(luò)中，RESV以標(biāo)準(zhǔn)的方式處理，在邊界節(jié)點(diǎn)ER2處，以標(biāo)準(zhǔn)的方式處理，如果ER2認(rèn)為與DiffServ區(qū)域相連的接口的資源不能滿足所請求的資源，則ER2拒絕該請求，如果能滿足要求的話，則將RESV消息透明地穿過DiffServ區(qū)域；
在ER1處，RESV消息觸發(fā)接入控制程序，它將檢查相應(yīng)的DiffServ服務(wù)級別的可用資源以決定是否接受該業(yè)務(wù)流�？捎觅Y源由SLA確定。如果ER1接受該請求的話，它將RESV繼續(xù)向上游轉(zhuǎn)發(fā)并且更新它自身的可用資源；
RESV消息以標(biāo)準(zhǔn)的方式穿過N1并傳送到發(fā)送端。在接收端，QoS處理程序接收RESV消息，接收端將認(rèn)為它所請求的IntServ服務(wù)已經(jīng)被網(wǎng)絡(luò)接受，它也可以從RESV消息中獲得正確的用于數(shù)據(jù)包標(biāo)記的DSCP值；
發(fā)送端向接收端發(fā)送數(shù)據(jù)包，并標(biāo)記以合適的DSCP值。
8.下一代互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃Internet2中IP QoS研究狀況
Intenet 2是由有大約180所美國大學(xué)和包括朗訊科技在內(nèi)的一些高技術(shù)公司以及政府部門參與的一個(gè)合作項(xiàng)目。Internet 2工作組創(chuàng)不是一個(gè)孤立的網(wǎng)絡(luò)，而是由美國許多先進(jìn)的校園網(wǎng)。區(qū)域網(wǎng)和國家網(wǎng)共同組成的，它通過集中公共機(jī)構(gòu)和資源來進(jìn)行新技術(shù)的研究，研究成果將被應(yīng)用到全球的互聯(lián)網(wǎng)上。
Internet2研究的一個(gè)主要目標(biāo)便是創(chuàng)建一個(gè)可伸縮、可交互操作和可管理的QoS體系結(jié)構(gòu)。以實(shí)現(xiàn)一些在現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)上不能實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用，如遠(yuǎn)程醫(yī)療、數(shù)字化圖書館及虛擬實(shí)驗(yàn)室等。為此，在1997年，參加Internet２工程的大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)共同成立了QoS工作組，建立了QBone計(jì)劃，以進(jìn)行下一代互聯(lián)網(wǎng)的QoS測試、開發(fā)和部署工作。目前，已經(jīng)有許多新的應(yīng)用在QBone中進(jìn)行了測試使用，幾個(gè)較大應(yīng)用項(xiàng)目有：
nanoManipulator（nM）系統(tǒng)
nM是一個(gè)研究多序列Client/Server多媒體應(yīng)用的智能服務(wù)和管理的項(xiàng)目。它主要為掃描探測顯微鏡提供一個(gè)虛擬環(huán)境接口，這樣科學(xué)家可以在遠(yuǎn)程以1:100萬的比例觀察樣本對象的表面。nM系統(tǒng)是一個(gè)不斷發(fā)展的工具，它是一個(gè)由眾多用戶緊密協(xié)作開發(fā)的成果，能夠在納米級對材料和對象進(jìn)行可視化研究，這些成果將帶來生物學(xué)、材料科學(xué)和電子工程等領(lǐng)域的巨大發(fā)展。應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器資源共享的評估、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)
這個(gè)項(xiàng)目的目的是試圖了解對QBone采用什么樣的DiffServ方案對新的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用最有效。它通過一組多媒體Client/Server應(yīng)用來進(jìn)行研究。這些應(yīng)用需要用到多種類型的數(shù)據(jù)，包括音頻、
視頻等，這些不同的數(shù)據(jù)類型具有不同的QoS需求。其目的一是理解什么樣的QoS服務(wù)對不同類型的應(yīng)用最有效；二是確定支持不同應(yīng)用之間的DiffServ需要實(shí)現(xiàn)什么樣的功能，包括通信協(xié)調(diào)和包標(biāo)記功能以及策略支持和相關(guān)的包分類功能。
國際高級Internet研究中心（iCAIR）研究計(jì)劃
國際高級Internet研究中心（iCAIR）發(fā)起了一個(gè)計(jì)劃，在全球范圍的DiffServ測試環(huán)境中解決各種重要的QoS問題。這可以完成以前僅限于某個(gè)國家范圍內(nèi)使用的測試環(huán)境無法完成的功能。
iCAIR一個(gè)主要的目標(biāo)是使用關(guān)鍵的實(shí)時(shí)延遲容錯(cuò)應(yīng)用來進(jìn)行QoS性能測試。
9.結(jié)論
直到目前為止，Internet上所提供的大部分依然是"盡力而為"服務(wù)，在這種服務(wù)模型中，所有的數(shù)據(jù)流公平地競爭網(wǎng)絡(luò)資源。隨著各種著新型網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的興起，迫切需要在Internet中加入QoS能力。盡管目前IP
QoS還有很多問題沒有解決，但I(xiàn)P QoS已經(jīng)成為下一代互聯(lián)網(wǎng)計(jì)劃的研究熱點(diǎn)。
關(guān)于作者
姜明，計(jì)算機(jī)專業(yè)博士研究生。主要研究方向?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)QoS。非常高興能夠與廣大同行就IP QoS及IPv6協(xié)議方面的相關(guān)問題進(jìn)行切磋，歡迎大家對本文多提寶貴意見，我的Email是：jiangmingcc@163.com。
下一代互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)IP QoS
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